Treibhauseffekt

Was ist der Treibhauseffekt?

Jeder kennt den Begriff Treibhauseffekt aus der Zeitung und dem Fernsehen. Wir wissen, dass der Mensch seit Beginn des industriellen Zeitalters die Umwelt auf verschiedene Weise negativ beeinflusst hat und dass der Anstieg der Temperatur etwas mit dem Treibhauseffekt zu tun hat.

Der natürliche Treibhauseffekt

Der Treibhauseffekt ist absolut notwendig für das Leben auf der Erde, wie wir es kennen. Die durchschnittliche Temperatur an der Erdoberfläche beträgt +15° C, ohne den natürlichen Treibhauseffekt läge sie bei -18° C! Der Mensch beeinflusst den Treibhauseffekt auf verschiedene Art und bewirkt damit einen Anstieg der Temperatur.

Die Erklärung

Um die Auswirkungen des anthropogenen, d.h. des zusätzlich vom Menschen verursachten Treibhauseffekts verstehen zu können, müssen wir uns zuerst veranschaulichen, wie der Treibhauseffekt funktioniert.

Strahlung, die von einem heißen Körper wie die Sonne abgegeben wird, ist kurzwellig. Diese kurzwellige Strahlung durchdringt relativ ungehindert die Atmosphäre der Erde und trifft auf die Erdoberfläche.

Die kurzwellige Strahlung wird beim Auftreffen auf die Erdoberfläche umgewandelt und als langwellige Wärmestrahlung reflektiert. Diese kann die Atmosphäre nicht wie die kurzwellige Strahlung durchdringen. Sie wird teilweise wieder zur Erde reflektiert und erwärmt dabei die Oberfläche zusätzlich.

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Würde diese langwellige Wärmestrahlung ungehindert zurück ins All reflektiert, läge die Durchschnittstemperatur auf der Erdoberfläche bei -18°C. Nun befinden sich aber bestimmte Gase, die so genannten Spurengase, in der Erdatmosphäre. Diese lassen zwar die kurzwellige Strahlung der Sonne relativ ungehindert passieren, jedoch nicht die langwellige Strahlung der Erdoberfläche. Deshalb liegt unsere Temperatur im Durchschnitt bei +15°C. Das ist ein Temperaturunterschied von 33 °C, der durch den natürlichen Treibhauseffekt zustande kommt.

Ursache

Ursache für den Treibhauseffekt sind die bereits erwähnten Spurengase. Sie funktionieren wie eine Membran, die die kurzwellige Strahlung der Sonne nahezu ungehindert passieren lässt und die langwellige Strahlung der Erdoberfläche teilweise zurückhält. Das Prinzip funktioniert hier ähnlich wie beim Treibhaus. Das Treibhaus hat eine Glashülle, die ebenfalls kurzwelliges Licht passieren lässt und langwellige Wärmestrahlung sozusagen gefangen hält.

Dieser Effekt wird uns beim Autofahren an einem heißen Sommertag bewusst: Die Sonnenstrahlen dringen durch die Verglasung ins Wageninnere ein und werden in Wärme umgewandelt. Dabei wird die Fahrgastzelle nicht selten um 30 bis 40° C aufgeheizt. Beim Treibhauseffekt der Erde übernehmen die Spurengase die Funktion der Glasscheiben. Deshalb werden diese Gase auch Treibhausgase genannt.

Das Gas, das am meisten zum Treibhauseffekt beiträgt, ist der Wasserdampf. Von den 33° C, die die Erdoberfläche durch den natürlichen Treibhauseffekt erwärmt wird, liefert der Wasserdampf einen Anteil von ungefähr zwei Drittel. Der Rest wird von den Spurengasen Kohlendioxid, Methan und geringen Mengen anderer verursacht.

Der anthropogene Treibhauseffekt

Da uns die Vorgänge beim natürlichen Treibhauseffekt jetzt bekannt sind, betrachten wir nun, wie der Mensch durch sein Verhalten in das seit Jahrtausenden stabile Gleichgewicht eingreift.

Die Hauptursache des vom Mensch verursachten zusätzlichen Treibhauseffekts liegt in der Freisetzung von Kohlendioxid (CO₂). Daher nachfolgendes einiges Wissenswertes zum CO₂-Kreislauf der Erde.

Der CO₂-Kreislauf der Erde

Pflanzen gewinnen Energie, indem sie mit Hilfe von Sonnenlicht Kohlendioxid in Kohlenstoff und Sauerstoff umwandeln (dieser Vorgang wird Photosynthese genannt). Der Kohlenstoff wird von den Pflanzen zum Wachstum benötigt. Bei der Verrottung wird dieses CO₂ wieder in die Atmosphäre freigesetzt, so entsteht ein natürlicher Kreislauf.

Der Mensch setzt hauptsächlich durch Verbrennung fossiler Energieträger, also Kohle, Erdgas und Erdöl, große Mengen an Kohlendioxid in die Erdatmosphäre frei. Dieses CO₂ wurde durch die Photosynthese der Pflanzen im Lauf der Millionen Jahre der Atmosphäre entzogen. Die abgestorbenen Pflanzen wurden von Erdschichten überlagert und zu Kohle, Erdgas und Erdöl umgewandelt. Durch Verbrennung dieser Stoffe wandelt der Mensch Kohlenstoff und Sauerstoff wieder in CO₂ um. Aber auch durch die Abrodung von Wäldern, insbesondere der Brandrodung der Regenwälder, werden große Mengen an gebundenem Kohlendioxid "künstlich" freigesetzt. Das zusätzlich vom Menschen freigesetzte CO₂ befindet sich nun gasförmig in der Atmosphäre. Der natürliche Treibhauseffekt wird dadurch verstärkt. Es entsteht eine weitere Erwärmung der Erdoberfläche. Da der Mensch für diese zusätzliche Erwärmung verantwortlich ist, spricht man hier auch vom anthropogenen Treibhauseffekt.

Neben der Freisetzung von CO₂ beeinflusst der Mensch den Treibhauseffekt auch durch den Ausstoß weiterer Spurengase wie Methan und künstlich produzierte Stoffe, allen voran die FCKWs (= Fluor-Chlor-Kohlen-Wasserstoffe sind künstlich hergestellte Gase oder Flüssigkeiten. Eine natürliche Entstehung gibt es nicht. FCKW werden als Kühlmittel, Treibgase oder Reinigungsmittel eingesetzt. FCKW können während Jahrzehnten in der Atmosphäre bleiben, bevor sie zerstört werden. Sie sind eine Quelle für Chlorradikale, die mit Ozon (O₃) reagieren und wesentlich zum Abbau der Ozonschicht beitragen. In den achtziger Jahren hat man diese zerstörerische Wirkung erkannt. In vielen Ländern sind FCKW heute verboten).

Auswirkungen

Die Durchschnittstemperatur der Erdoberfläche stieg in den letzten 100 Jahren um etwa 0,6° C an. Der steilste Anstieg wurde innerhalb der letzten 30 Jahre verzeichnet. Die Folgen des anthropogenen Treibhauseffekts können zum heutigen Zeitpunkt noch nicht endgültig vorhergesagt werden. Die zurzeit existierenden Klimamodelle beinhalten noch zu viele Unsicherheiten, als dass sich daraus sichere Prognosen ableiten ließen. Die größten Unsicherheitsfaktoren sind Wolken und Wälder. Beide haben einen entscheidenden Einfluss auf das Klima und lassen sich nicht mit einfachen Zusammenhängen beschreiben.

Bis jetzt steht noch nicht fest, ob sich das Klima global verändern wird oder ob sich mehrere unterschiedliche, aber in sich stabile Klimazonen ausbilden werden. Weiterhin ist noch nicht bekannt, ob eine kritische CO₂-Konzentration der Atmosphäre existiert, oberhalb deren Werts sich Klimaveränderungen innerhalb weniger Jahre abspielen. Es muss aber davon ausgegangen werden, dass eine weitere Erhöhung der durchschnittlichen Oberflächentemperatur das Klima der Erde einschneidend verändern wird.

Folgende Klimaveränderungen wurden bereits festgestellt:

· ungewöhnlich lange 'El Nino' (Meeresströmung) - Warmphase von 1990 bis 1995

· Anstieg des Meeresspiegels um 10 bis 25 Zentimeter innerhalb der letzten 100 Jahre,
hauptsächlich als Folge der Ausdehnung des Wassers aufgrund der Erhöhung der Lufttemperatur

· Anstieg der Oberflächentemperatur in Alaska um 2 - 4°C

· Zunahme der Luftfeuchtigkeit in den Tropen

· Zunahme der Wolken über Land

· Rückgang der Schneedecke in den Alpen

Ob der Mensch etwas damit zu tun hat ist noch nicht endgültig bewiesen. Die erheblichen Veränderungen innerhalb kürzester Zeit ist aber ein eindeutiges Indiz dafür.

In der Zukunft mögliche Auswirkungen sind:

· Abschmelzen der Polkappen

· Weiterer Anstieg des Meeresspiegels

· Zunahme von Extremereignissen, wie z.B. Trockenheit und Überschwemmungen

· Verschiebung von Meeresströmungen (z. B. der Golfstrom) mit den dadurch verbundenen extremen regionalen Klimaveränderungen

Wenn auch ein Einfluss des Menschen auf das Klima noch nicht letztlich bewiesen ist, spricht doch aus heutiger Sicht alles dafür.

Für ganz Neugierige oder die es genau wissen wollen!

WISSENSCHAFTLICHE ERKLÄRUNG DES TREIBHAUSEFFEKTS

Quelle: Max-Plank-Institut für Meteorologie, 16.03.2000

Wie funktioniert der Treibhauseffekt?

1. Elektromagnetische Strahlung
Bekanntlich sendet Materie elektromagnetische Strahlung aller Wellenlängen in Form von Photonen aus (Emission), und zwar umso mehr je wärmer der emittierende Körper ist. So sorgt z.B. die Emission elektromagnetischer Strahlung an der (heißen) Sonnenoberfläche für Energie in Form des sichtbaren Lichtes auf der Erde. Einfallende elektromagnetische Strahlung wird aber auch von Materie verschluckt (Absorption) und trägt dadurch zur Energieerhöhung der Umgebung bei, die sich meist in einer Erwärmung ausdrückt. Das geschieht z.B. mit dem Licht der Sonne in der irdischen Atmosphäre und am Erdboden, was die Voraussetzung für das Leben auf diesem Planeten darstellt.

Bei den Temperaturen des irdischen Klimasystems findet die Emission elektromagnetischer Strahlung durch Erdboden und/oder Atmosphärenbestandteile überwiegend im so genannten thermischen Bereich des Spektrums (zwischen etwa 3 und 100 µm) statt, weshalb man auch oft von Wärmestrahlung spricht. Da hier die Wellenlängen viel größer sind als die der energetisch wichtigen Sonnenstrahlung (zwischen etwa 0.4 und 3 µm), kann man diese beiden Strahlungsarten und Spektralbereiche getrennt betrachten, was die Überlegungen zur Strahlungsbilanz erheblich vereinfacht.

Wichtig ist auch, dass Emission und Absorption vor allem bei Gasen sehr stark von der Wellenlänge abhängen können, weshalb oft von Emissionslinien oder -banden (Ansammlungen von Linien) die Rede ist. Insbesondere bei den beiden wichtigen Treibhausgasen Wasserdampf und CO₂ finden die wesentlichen Absorptions- und Emissionsvorgänge in solchen Banden statt. Dagegen besitzen gerade die beiden Hauptgase der Atmosphäre Sauerstoff (O₂) oder Stickstoff (N₂) im energetisch wichtigen Bereich des Spektrums keine wesentliche Emission und Absorption.

2. Der Treibhauseffekt
Bei einer Erde ohne Atmosphäre wäre die Oberflächentemperatur ausschließlich durch die Bilanz zwischen eingestrahlter Sonnenenergie und der vom Boden abgestrahlten Wärmestrahlung festgelegt. Diese Oberflächentemperatur würde im globalen Mittel etwa -18°C betragen. Selbst eine Atmosphäre aus reinem Sauerstoff und Stickstoff, die ja die Hauptkomponenten unserer Atmosphäre (zu ca. 99%) bilden, würde daran nichts wesentliches ändern, da diese Gase die beiden genannten Strahlungsarten nur unwesentlich beeinflussen.

Dagegen absorbieren Wasserdampf und in geringerem Masse auch CO₂ (und andere Spurengase) die Sonnenstrahlung zum Teil und geben selbst Wärmestrahlung ab. In Richtung zum Erdboden übertrifft diese zusätzliche Wärmestrahlung aus der Atmosphäre die Reduktion der Sonnenstrahlung und bewirkt so am Erdboden eine höhere Energieeinstrahlung, als dies ohne solche Gase der Fall wäre. Diese vermehrte Einstrahlung führt zu einer Erwärmung des Erdbodens und (infolge verschiedener Transportvorgänge) auch der unteren Atmosphäre.

Diese Erwärmung des Bodens führt aber auch zu einem Ausgleich der Strahlungsbilanz am Atmosphärenoberrand, denn im längerfristigen Mittel muss die Erde ja genau so viel Wärmestrahlung in den Weltraum abgeben, wie sie Strahlung von der Sonne absorbiert. Die vom Erdboden nach oben gestrahlte Energie wird von den atmosphärischen Treibhausgasen (teilweise) auch absorbiert, gelangt also nur zum Teil direkt in den Weltraum. Dafür emittieren die Treibhausgase selbst entsprechend ihrer Temperatur, die aber wegen der Temperaturabnahme mit der Höhe in der Atmosphäre geringer ist als die des Erdbodens. Daher verlässt mit zunehmender Menge an Treibhausgasen bei konstanter Bodentemperatur immer weniger Energie in Form von Wärmestrahlung die Erde in den Weltraum. Durch die erhöhte Bodentemperatur wird dieses Defizit in der Strahlungsbilanz aber wegen der erhöhten Wärmestrahlungsmenge vom Boden wieder ausgeglichen. Für diesen Ausgleich ist vor allem das atmosphärische Strahlungsfenster hilfreich, ein Spektralbereich bei 10 µm Wellenlänge innerhalb dessen die Strahlung von der Oberfläche bei wolkenloser Atmosphäre überwiegend in den Weltraum entweichen kann.

Wegen der Analogie mit den Vorgängen in einem Treibhaus, dessen Glasdach ebenfalls die Sonne gut durchlässt, die Wärmestrahlung von der Erdoberfläche aber nicht hinauslässt, ist das hier beschriebene Phänomen auch als natürlicher Treibhauseffekt bekannt. Die dafür in der Atmosphäre verantwortlichen Gase werden häufig als Treibhausgase bezeichnet. Bei der Interpretation verschiedener Klimavorgänge ist aber Vorsicht geboten vor der allzu direkten Übertragung des Treibhausbildes. Insbesondere die Vernachlässigung von gleichzeitiger Absorption und Emission von Wärmestrahlung in verschiedenen Höhen der Atmosphäre, bei Argumentation mit einer Glasplatte in fester Höhe, führt hier immer wieder zu Verwirrung. Außerdem sind natürlich die Verhältnisse in der strömenden Atmosphäre mit Bewölkung viel komplizierter als im Glashaus eines Gärtners.

Werden die natürlich vorhandenen Treibhausgase (z.B. CO₂) durch anthropogenen (menschlichen) Einfluss vermehrt oder durch neue Stoffe (z.B. FCKW) ergänzt, so übertrifft die dadurch verursachte zusätzliche Wärmestrahlung aus der Atmosphäre ebenfalls die verstärkte Reduktion von Sonnenstrahlung am Erdboden. Daher erhöht sich auch infolge dieses verstärkten (anthropogenen) Treibhauseffektes die Temperatur des Bodens und der unteren Atmosphäre.

3. Ausmaß des anthropogenen Treibhauseffektes
Um wie viel die wichtigen Treibhausgase die Oberflächentemperatur der Erde anheben, ist nicht einfach zu bestimmen. Jetzt mögliche Messungen der Wärmeabstrahlung in den Weltraum durch Satelliten lassen auf eine Temperaturerhöhung des Bodens durch den natürlichen Treibhauseffekt um etwa 33°C schließen. Ohne diesen läge die Bodentemperatur im globalen Mittel bei etwa -18°C. Zu dieser lebenserhaltenden Erwärmung trägt Wasserdampf den weitaus größten Teil, etwa zwei Drittel, bei; es folgen Kohlendioxid (CO₂) mit einem Anteil von ca. 15%, Ozon mit etwa 10% und schließlich Distickstoffoxid (N₂O) und Methan (CH₄) mit je etwa 3%. Zur genauen Berechnung der Anteile müsste neben der Höhen- und Breitenabhängigkeit aller Gase auch die Wirkung der Bewölkung und der Schwebeteilchen (Aerosole) auf die Sonnen- und Wärmestrahlung bekannt sein.

Die Konzentration der langlebigen Treibhausgase nimmt systematisch zu: seit Beginn der Industrialisierung bis heute bei Kohlendioxid (CO₂) um ca. 30%, bei Methan (CH₄) um 120% und bei Distickstoffoxid (N₂O) um ca. 10%. Hierdurch wird eine langfristige Erwärmung der unteren Atmosphäre und der Erdoberfläche angestoßen, deren Ausmaß mit der Konzentrationsänderung ansteigt, aber auch stark von der Reaktion des Wasserkreislaufs (Wasserdampf, Bewölkung, Niederschlag, Verdunstung, Schneebedeckung, Meereisausdehnung) bestimmt wird. Der Wasserkreislauf kann sowohl verstärkend wie dämpfend eingreifen, weil viele seiner Zweige stark temperaturabhängig sind. Da die Erwärmung regional und innerhalb eines Jahres unterschiedlich ist und weil die Strahlungsbilanzstörung bei einer Konzentrationsänderung von der Struktur der Atmosphäre, der Jahreszeit und vom Oberflächentyp abhängt, führt ein erhöhter Treibhauseffekt auch zu veränderten Werten des Niederschlags, der Bewölkung, der Meereisausdehnung, der Schneebedeckung und des Meeresspiegels sowie zu anderen Wetterextremen, d.h. im Letzten zu einer globalen Klimaveränderung.